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1、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計第二版主 編 余學(xué)飛主 講 葉哲江,課 程 要 求,課 程 要 求： 課程要求：不得缺席、遲到、早退。 作業(yè)，輔導(dǎo)（周四下午系辦）。 考試成績：平時成績20%，實驗10%，考試70%。,本課程意義：,專業(yè)定位為：醫(yī)用儀器設(shè)計、使用及維護(hù)。 學(xué)習(xí)醫(yī)用儀器的結(jié)構(gòu)、原理； 撐握醫(yī)用儀器設(shè)計、使用、維護(hù)方法； 為就業(yè)及工作打下一定的基礎(chǔ)。,第一章 醫(yī)學(xué)儀器概述,醫(yī)學(xué)儀器：主要用于對人體的疾病進(jìn)行診斷和治療，其作用對象是復(fù)雜的人體，所以醫(yī)學(xué)儀器與其它儀器相比有其特殊性。 在醫(yī)學(xué)儀器沒有大量出現(xiàn)前，醫(yī)生主要憑經(jīng)驗通過手和五官來獲取診斷信息。現(xiàn)在，醫(yī)學(xué)儀器可以將人體的各種信息提供給

2、醫(yī)生觀察和診斷。,第一節(jié) 生物信號知識簡介,人體系統(tǒng)的特征 人體是一個復(fù)雜的自然系統(tǒng)，它由八大系統(tǒng)組成：運動、循環(huán)、呼吸、消化、排泄、神經(jīng)、內(nèi)分泌和生殖系統(tǒng)組成。 人體控制功能的特點 負(fù)反饋機(jī)制：人體系統(tǒng)對外界干擾是穩(wěn)定的。 反饋：將輸出信息傳遞到輸入端稱為反饋。 負(fù)反饋：輸出反饋量與輸入量的極性相反。 負(fù)反饋的作用： 雙重支配性：生物體很少以一個變量的正負(fù)值來單獨控制。 多重層次性：上一級環(huán)路對下一級環(huán)路進(jìn)行控制。 適應(yīng)性：根據(jù)外界的刺激改變控制系統(tǒng)本身。 非線性：,,,生物信息的基本特性 不穩(wěn)定性：如心電、血壓等由于精神緊張，心電畸變，血壓升高。 非線性： 概率性： 生物信息的檢測與處

3、理 生物信號檢測：微弱、低頻信號檢測。 生物信號處理：時域、頻域信號處理。,,,第二節(jié) 醫(yī)學(xué)儀器的結(jié)構(gòu)和工作方式,醫(yī)學(xué)儀器的基本構(gòu)成,信號 采集,信號 預(yù)處理,信號 處理,記錄 顯示,數(shù)據(jù) 存儲,信號校準(zhǔn),數(shù)據(jù) 傳輸,刺激 激勵,反饋 控制,,,,,,,,,圖1-1 醫(yī)學(xué)電子儀器結(jié)構(gòu)框圖,生物信號采集系統(tǒng)：被測對象，傳感器； 生物信號處理系統(tǒng)：信號預(yù)處理、信號處理； 生物信號的記錄顯示系統(tǒng)：直接記錄，存儲記錄，數(shù)字式顯示； 輔助系統(tǒng)：控制和反饋、數(shù)據(jù)存儲和傳輸、標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生和外加能量等。,醫(yī)學(xué)儀器的工作方式 直接和間接方式： 直接工作方式： 間接工作方式： 實時和延時方式： 實時工作方式： 延

4、時工作方式： 間斷和連續(xù): 模擬和數(shù)字:,第三節(jié) 醫(yī)學(xué)儀器的特性與分類,醫(yī)學(xué)儀器的主要技術(shù)特性 準(zhǔn)確度： 精密度：在相同條件下用同一種方法多次測量所得數(shù)值的接近程度。 輸入阻抗： 靈敏度：輸出變化量與引起它變化的輸入變化量之比。,,頻率響應(yīng)：儀器保持線性輸出時，允許輸入頻率變化的范圍。 信噪比：信號功率與噪聲功率之比。 噪聲：除被測信號之外的任何干擾。 儀器內(nèi)部噪聲：輸入端短路時的噪聲電壓。,,零點漂移：輸入量恒定不變（或無輸入信號）時，輸出量偏離原起始值而上下漂動，緩慢變化的現(xiàn)象。 共模抑制比： ：差模增益； ：共模增益。,醫(yī)用儀器的特殊性 生物信號檢測（醫(yī)用診斷儀器）： 生物系統(tǒng)不同于

5、物理系統(tǒng)，在檢測過程中，它不能休止運轉(zhuǎn)，也不能拆卸。因此，人體及生物信息的特殊性構(gòu)成了醫(yī)用儀器的特殊性。 噪聲特性： 生物信號一般為微弱、低頻信號，常見的交流感應(yīng)噪聲和電磁感應(yīng)噪聲危害較大。一般來說，限制噪聲比放大信號更有意義。 個體差異與系統(tǒng)性： 個體差異相當(dāng)大，醫(yī)用儀器必須適應(yīng)人體的差異。人體又是一個復(fù)雜的系統(tǒng)測定某部分機(jī)能狀態(tài)時必須考慮相關(guān)因素的影響。,生理機(jī)能的自然性： 在檢測時，應(yīng)防止儀器（探頭、傳感器）因接觸而造成對被測對象生理機(jī)能的變化。 接觸界面的多樣性： 傳感器（電極）與被測對象間有一個合適接觸良好的界面。 操作與安全性： 醫(yī)用儀器的檢測對象是人體。應(yīng)確保電氣安全、輻射安全、

6、熱安全和機(jī)械安全，有時因操作失誤產(chǎn)生的危害也是不允許的。 操作者是醫(yī)生或醫(yī)輔人員，儀器操作必須簡單、安全、適用、可靠。,典型醫(yī)學(xué)參數(shù)（了解） P9 表11 醫(yī)用儀器分類,第四節(jié) 生理系統(tǒng)的建模與儀器設(shè)計 構(gòu)造一個真實系統(tǒng)的模型，在模型上進(jìn)行實驗，成為系統(tǒng)分析、研究的十分有效的手段。為了達(dá)到系統(tǒng)研究的目的，系統(tǒng)模型用來收集系統(tǒng)有關(guān)信息和描述系統(tǒng)有關(guān)實體。也就是說，模型是為了產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)的一組指令，它可以用數(shù)學(xué)公式、圖、表等形式表示。模型是對相應(yīng)的真實對象和真實關(guān)系中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象，是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，它以各種可用的形式提供被研究系統(tǒng)的描述信息。,生理系統(tǒng)建模：是

7、對系統(tǒng)整體各個層次的行為、參數(shù)及其關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型的工作，最終希望用數(shù)學(xué)的形式表達(dá)出來。 建模的目的：是為了更好地了解生物系統(tǒng)的行為及規(guī)律，為生物控制奠定基礎(chǔ)。 意義：生物系統(tǒng)建模與仿真可以將生物系統(tǒng)簡化為數(shù)學(xué)模型并對此模型進(jìn)行計算分析，從而代替實際的復(fù)雜、長期、昂貴及至無法實現(xiàn)的實驗，大大提高研究效率和定量性，并可研究人為施加控制條件以影響生物系統(tǒng)運行過程。,系統(tǒng)模型與建模關(guān)系 在選擇模型結(jié)構(gòu)時，要滿足兩個前提條件： 一是要細(xì)化模型研究的目的； 二是要了解有關(guān)特定的建模目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系。,系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有以下性質(zhì)： 相似性：模型與所研究系統(tǒng)在屬性上具有相似的特性和變化規(guī)律；

8、簡單性：實用的前提下，模型越簡單越好； 多面性：對同一系統(tǒng)可以產(chǎn)生相應(yīng)于不同層次的多種模型； 模型的有效性用符合程度來度量，它可分為以下三個不同級別的模型有效： 復(fù)制有效：模型產(chǎn)生的輸入輸出與實際系統(tǒng)所得到的輸入輸出數(shù)據(jù)是匹配的。 預(yù)測有效：可預(yù)測實際系統(tǒng)的將來的狀態(tài)和行為變化，實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)取得之前，能夠由模型看出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。,結(jié)構(gòu)有效：建模者不但搞清了實際系統(tǒng)內(nèi)部之間的工作關(guān)系，且了解了實際系統(tǒng)的內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)，可把實際系統(tǒng)描述為由許多子系統(tǒng)相互連接起來而構(gòu)成的一個整體。 建立生理系統(tǒng)模型的基本方法 建模：即要建立一個在某一特定方面與真實系統(tǒng)具有相似性的系統(tǒng)，真實系統(tǒng)稱為原型，而這種相似的系

9、統(tǒng)稱為該原型系統(tǒng)的模型。 模型一般分為三類：物理模型、數(shù)學(xué)模型和描述模型。,真實系統(tǒng),模型,真實空間解,模型空間解,圖1-3 生理系統(tǒng)建模的基本方法,（三）、描述模型 描述模型：是一種抽象的（沒有物理實體）、不能（至少目前很難）用數(shù)學(xué)方程表達(dá)，只能用語言（自然語言、程序語言）描述的系統(tǒng)模型。 可以認(rèn)為，描述模型是系統(tǒng)模型向定量化、數(shù)學(xué)化目標(biāo)發(fā)展的一個中間過程，而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是我們力求達(dá)到的目的。 構(gòu)建生理模型的常用方法與實例 （一）、理論分析法建模：是指應(yīng)用自然科學(xué)中已被證明的正確的理論、原理和定理，對被研究系統(tǒng)的有關(guān)要素進(jìn)行分析、演繹、歸納，從而建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 （二）、類比分析法建模：若兩個不同的系統(tǒng)可以用同一形式的數(shù)學(xué)模型來描述，則兩個系統(tǒng)就可以互相類比。即是說，類比分析法是根據(jù)兩個（或兩類）系統(tǒng)某些屬性或關(guān)系的相似，去推論兩者的其他屬性或者關(guān)系也可相似的一種方法。,第五節(jié) 生物醫(yī)學(xué)儀器的設(shè)計原則與步驟 設(shè)計原則： P12 圖13 信號因素： 環(huán)境因素： 醫(yī)學(xué)因素： 經(jīng)濟(jì)因素 時代因素,設(shè)計步驟 生理模型的構(gòu)建： 系統(tǒng)設(shè)計： 實驗樣機(jī)設(shè)計： 動物實驗研究： 臨床實驗： 儀器認(rèn)證與注冊：,